JP2019009880A - 超音波モータ、ロボットアーム、およびメッシュロボット - Google Patents

Abstract

【課題】出力トルクと回転数などの特性を調整可能な超音波モータ、同超音波モータを搭載するロボットアーム、および同超音波モータを搭載するメッシュロボットを提供する。【解決手段】超音波モータ１００は、第一シャフト３１と、第二シャフトと、を有するロータシャフト３と、前記第一シャフト３１の基端側の開口部である第一開口部と、前記第二シャフトの基端側の開口部である第二開口部とを、近づける方向に力を加える弾性部材と、ロータシャフトが貫通する貫通孔を有するステータ１と、超音波発生素子２と、を備え、前記第一開口部と前記第二開口部とを対向させて設けられており、前記ステータ１の内周面はテーパ加工されており、前記第一シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第一係合部を有し、前記第二シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第二係合部を有し、前記ステータ１の内周面と、第一係合部および第二係合部とが係合する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータ、同超音波モータを搭載するロボットアーム、および同超音波モータを搭載するメッシュロボットに関する。

超音波モータはコイルや磁石を用いず超音波振動を駆動源とするモータである。超音波モータの長所は、低速で高トルクが出せることや電源を切っても自己保持特性が保たれること、小型軽量、減速機不要、応答性が高いこと、磁界や電界の影響を受けないことなどである。また、超音波モータは、構造が比較的簡単であるとともに、コイルが無いことから小型化に適している。このため、ロボット関節やＭＲＩなどの高磁場下で使用される医療機器などに向いている。

特許文献１には、直方体型の金属（ステータ）に貫通穴をあけ、円筒状のロータシャフトを通した構造の超音波モータが記載されている。ステータの表面には圧電素子が貼り付けられており、超音波モータは圧電素子により貫通穴の内面に振動波を発生させ、ロータシャフトを回転させる。

超音波モータは、貫通穴とロータシャフトとの間の押しつけ力により、出力トルクと回転数が決定される。例えば、貫通穴とロータシャフトとの間の押しつけ力が大きい場合、超音波モータは大きな出力トルクを得ることができる。貫通穴とロータシャフトとの間の押しつけ力を大きくするためには、貫通穴とロータシャフトとが隙間なく嵌合している必要がある。

特開２００９−２６１４９４号公報

しかしながら、圧電素子により貫通穴の内面に発生させる振動波の振幅は最大でも数ミクロンメートルと小さい。一方、貫通穴とロータシャフトとが隙間なく嵌合するように、両者を数ミクロンメートルの精度で加工することは難しい。そのため、高い動作精度が要求されるロボット等に超音波モータを搭載する場合、出力トルクと回転数などの特性を所望の値に調整することが困難であった。特に、超音波モータが小型である場合に、この課題は顕著となる。

上記事情を踏まえ、本発明は、出力トルクと回転数などの特性を調整可能な超音波モータ、同超音波モータを搭載するロボットアーム、および同超音波モータを搭載するメッシュロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の超音波モータは、円筒形状の第一シャフトと、円筒形状の第二シャフトと、を有するロータシャフトと、前記第一シャフトの基端側の開口部である第一開口部と、前記第二シャフトの基端側の開口部である第二開口部とを、近づける方向に力を加える弾性部材と、直方体状で、ロータシャフトが貫通する貫通孔を有するステータと、前記ステータの外側面に取り付けられた超音波発生素子と、を備え、前記第一シャフトと前記第二シャフトとは、前記第一開口部と前記第二開口部とを対向させて設けられており、前記ステータの内周面はテーパ加工されており、前記第一シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第一係合部を有し、前記第二シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第二係合部を有し、前記ステータの内周面と、第一係合部および第二係合部とが係合する。

本発明のロボットアームは、上記超音波モータを複数有し、前記超音波モータ同士を接続する接続部材と、を備えるロボットアームである。

本発明のメッシュロボットは、上記ロボットアームを複数有し、可撓性を有し、複数の前記ロボットアームが接続されたプレートと、を備える。

本発明の超音波モータによれば、出力トルクと回転数などの特性を所望の値に調整することができる。また、本発明のロボットアームおよびメッシュロボットによれば、超小型で出力トルクが大きい超音波モータを搭載し、動作特性を所望の値に調整することができる。

本発明の第一実施形態に係る超音波モータの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータの一部を取り除いた構成を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータの分解図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータの一部を取り除いた構成の分解図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータを軸方向に垂直な方向から見た側面図である。 図５の断面図である。 本発明の第二実施形態に係る超音波モータを軸方向に垂直な方向から見た側面図である。 図７の断面図である。 本発明の第三実施形態に係るロボットアームの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第三実施形態に係るロボットアームの全体構成を図９と反対側から見た斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのロボットアームの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのプレートの構成を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのプレートとロボットアームの接続を示す図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの最小構成を示す図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの使用例を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの使用例を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのコンプライアンス制御の一例を示すグラフである。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。なお、図面を見やすくするため、各構成要素の厚さや寸法の比率は適宜調整されている。

図１は、第一実施形態に係る超音波モータ１００の全体構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す超音波モータ１００の一部を取り除いた構成を示す斜視図である。
超音波モータ１００は、ステータ１と、圧電素子（超音波発生素子）２と、ロータシャフト３と、バネ固定部材４と、バネ（弾性部材）５と、を備える。
超音波モータ１００は、ロータシャフト３が、ロータシャフト３の長手軸を中心に回転する回転モータとして動作する。以降の説明において、ロータシャフト３の軸方向を「軸方向Ａ」と称し、ロータシャフト３の回転方向を「回転方向Ｒ」と称す。

ステータ１は、図１に示すように、直方体型に形成されており、対向する側面を貫通する貫通孔Ｈを有する。また、ステータ１の軸方向Ａに垂直な断面の外周輪郭は四角形である。ロータシャフト３は貫通孔Ｈを通るように配置される。
ステータ１は、例えば２〜３ｍｍ角の直方体に形成されている。また、ステータ１の構成材料は、金属材料（鉄，ステンレス，アルミニウム，銅等）が一般であるが、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックでもよい。

図３は、第一実施形態に係る超音波モータ１００の分解図である。図４は、図３に示す超音波モータ１００の一部を取り除いた構成を示す分解図である。
図３および図４に示すように、ステータ１の内周面１０には、軸方向Ａに沿って複数の溝Ｔが形成されている。複数の溝Ｔは、ステータ１の内周面１０の周方向に沿って等間隔に配置されている。溝Ｔの形状は、互いに等しく、略円柱形状である。

図５は、第一実施形態に係る超音波モータ１００を軸方向Ａに垂直な方向から見た側面図である。図６は、図５の断面図である。
図５および図６が示すように、ステータ１の貫通孔Ｈは略円柱形状である。貫通孔Ｈの両端の開口部の径寸法が最も大きく、両端の開口部から軸方向Ａの中心部に向かうに従って径寸法が小さくなるように、ステータ１の内周面１０はテーパ形状に加工されている。図６が示すように、ステータ１の軸方向Ａに水平な断面は、内周面１０がくさび形に形成されている。テーパの角度は、軸方向Ａに対して２度〜１５度程度である。

ステータ１の内周面１０は、図２に示すように、第一シャフト３１と係合する第一内周面１１と、第二シャフト３２と係合する第二内周面１２と、を有する。第一内周面１１は、図２、図４、および図６に示すように、内周面１０のうち、軸方向Ａの中心部から一方の開口部に向かう部分である。一方、第二内周面１２は、図２、図４、および図６に示すように、内周面１０のうち、軸方向Ａの中心部を挟んで第一内周面１１の反対側に位置する部分であり、軸方向Ａの中心部から他方の開口部に向かう部分である。

溝Ｔは、図４に示すように、テーパ形状に沿って垂直方向の深さが一定になるように形成されている。溝Ｔは、貫通孔Ｈの径寸法が最も小さくなる軸方向Ａの中心部においても、それぞれが接触することなく、分離して形成されている。

圧電素子２は、セラミックス等の超音波を発生する素子である。図１に示すように、ステータ１の軸方向Ａに水平な四つの外側面それぞれに圧電素子２が取り付けられている。圧電素子２には、超音波領域の交流電圧が入力される。四つの圧電素子２は、９０度ずつ位相がずれた超音波を発生し、貫通孔Ｈの内面に回転方向Ｒの進行波を発生させる。

ロータシャフト３は、第一シャフト３１と、第二シャフト３２と、を有する。バネ固定部材４は、第一バネ固定部材４１と、第二バネ固定部材４２と、を有する。

第一シャフト３１および第二シャフト３２は、略円筒形状に形成されており、両端は開口している。第一シャフト３１および第二シャフト３２は、図３および図４が示すように、第一シャフト３１の基端開口部（第一開口部）３１ａと第二シャフト３２の基端開口部（第二開口部）３２ａとを対向させて、内部空間が連通するように設けられている。
なお、第一シャフト３１の先端開口部３１ｂおよび第二シャフト３２の先端開口部３２ｂは必ずしも必要ではなく、設けられなくてもよい。

第一バネ固定部材４１は、第一シャフト３１と係合する円柱形状の部材であり、後述するバネ５の一方の端部が取り付けられる部材である。すなわち、第一バネ固定部材４１は、バネ５と第一シャフト３１との接続を補助する補助部材である。第一バネ固定部材４１は、第一シャフト３１と係合可能で、かつ、バネ５の端部を取り付け可能な形状であれば、円柱形状以外の形状、例えば角柱形状やフック型形状等であってもよい。

第二バネ固定部材４２は、第二シャフト３２と係合する円柱形状の部材であり、後述するバネ５の他方の端部が取り付けられる部材である。すなわち、第二バネ固定部材４２は、バネ５と第二シャフト３２との接続を補助する補助部材である。第二バネ固定部材４２は、第二シャフト３２と係合可能で、かつ、バネ５の端部を取り付け可能な形状であれば、円柱形状以外の形状、例えば角柱形状等やフック型形状であってもよい。

バネ５は、図２および図６に示すように、第一シャフト３１の内部空間と第二シャフト３２の内部空間とを連通する内部空間に配置されている。一方の端部は第一バネ固定部材４１に、他方の端部は第二バネ固定部材４２に、取り付けられている。バネ５は、軸方向Ａに沿って、第一シャフト３１と第二シャフト３２とを互いに近づける方向に弾性力を加える。

一対の第一係止孔３１ｃは、第一シャフト３１に設けられた孔であり、図１および図２が示すように、円柱形状の第一バネ固定部材４１を係止する。図１から図６に示すように、一対の第一係止孔３１ｃは、第一シャフト３１の長手軸を挟んで対向する箇所に設けられている。一対の第一係止孔３１ｃのそれぞれは、第一シャフト３１の側面を貫通している。

一対の第一係止孔３１ｃは、軸方向Ａに沿って第一バネ固定部材４１を係止する位置を変更するために、第一バネ固定部材が貫通可能な孔を複数有している。第一バネ固定部材が貫通する一対の第一係止孔３１ｃの孔を変更することで、第一バネ固定部材４１を係止する位置は変更される。第一バネ固定部材４１を係止する位置を変更することで、第一シャフト３１と第二シャフト３２とを互いに近づけるバネ５の弾性力の大きさを変更することができる。
もちろん、バネ５自体を異なる弾性力を有するバネ５に変更することで、第一シャフト３１と第二シャフト３２とを互いに近づける弾性力の大きさを調整してもよい。

一対の第二係止孔３２ｃは、第二シャフト３２に設けられた孔であり、図１および図２が示すように、円柱形状の第二バネ固定部材４２を係止する。図３および図４に示すように、一対の第二係止孔３２ｃは、第二シャフト３２の長手軸を挟んで対向する箇所に設けられている。一対の第二係止孔３２ｃのそれぞれは、第二シャフト３２の側面を貫通している。

第一シャフト３１は、図３に示すように、基端側の外周に第一係合部３１ｄを有している。図６に示すように、ステータ１の第一内周面１１と、第一シャフトの第一係合部３１ｄが、対向して配置される。
第一係合部３１ｄは、図３および図６に示すように、基端開口部３１ａに向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工されている。第一係合部３１ｄのテーパ形状は、対向して配置される第一内周面１１のテーパ形状と係合するように形成されている。

第二シャフト３２も、図３に示すように、基端側の外周に第二係合部３２ｄを有している。図６に示すように、ステータ１の第二内周面１２と、第二シャフトの第二係合部３２ｄが、対向して配置される。
第二係合部３２ｄは、図３および図６に示すように、基端開口部３２ａに向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工されている。第二係合部３２ｄのテーパ形状は、対向して配置される第二内周面１２のテーパ形状と係合するように形成されている。

第一係合部３１ｄは、図３および図４に示すように、基端開口部３１ａの淵部に、軸方向Ａに突出する第一凸部３１ｅを有している。また、第二係合部３２ｄも、基端開口部３２ａの淵部に、軸方向Ａに突出する第二凸部３２ｅを有している。
第一凸部３１ｅと第二凸部３２ｅとは、第一シャフト３１および第二シャフト３２が、軸方向Ａを回転軸として回転した際、回転方向Ｒの両端部のうち少なくとも一方の端部が係合する。

第一シャフト３１と第二シャフト３２とが、ステータ１の内周面１０と係合して配置されている際、第一シャフト３１と第二シャフト３２との間には、軸方向Ａにわずかに隙間が生じるように、第一係合部３１ｄおよび第二係合部３２ｄの軸方向Ａの長さは調整されている。そのため、バネ５の弾性力を調整することで、第一シャフト３１および第二シャフト３２の相対位置は、軸方向Ａに沿って調整される。

第一バネ固定部材４１を係止する一対の第一係止孔３１ｃの孔を変更することで、バネ５の弾性力を調整し、ステータ１の第一内周面１１と、第一シャフトの第一係合部３１ｄとを、隙間なく係合させ、また、ステータ１の第二内周面１２と、第二シャフトの第二係合部３２ｄとを、隙間なく係合させることができる。

次に、超音波モータ１００の動作を説明する。
圧電素子２に超音波領域の交流電圧が入力され、圧電素子２は超音波を発生する。四つの圧電素子２には９０度ずつ位相がずれた超音波が発生するように交流電圧が入力される。その結果、貫通孔Ｈの内周面１０に回転方向Ｒの進行波が発生する。

圧電素子２が貫通孔Ｈの内周面１０に発生させた回転方向Ｒの進行波により、第一シャフト３１および第二シャフト３２は、第一凸部３１ｅと第二凸部３２ｅとが回転方向Ｒの両端部のうち少なくとも一方の端部で係合しながら回転する。第一シャフト３１および第二シャフト３２の一方に発生する回転運動を他方に伝達することで、第一シャフト３１および第二シャフト３２の回転速度を均等にすることができる。

また、ステータ１の軸方向Ａに水平な断面は、内周面１０がくさび形に形成されている。従来のような、内周面がくさび形状を有さないステータの場合、ロータシャフトに対して、軸方向Ａと垂直な方向にしか振動を伝達することができなった。
一方、本実施形態のステータ１のように内周面１０にテーパ形状が形成されている場合、軸方向Ａと垂直な方向だけでなく、軸方向Ａと水平な方向にも振動を伝達することができる。
従来、振動伝達効率を向上させる場合、軸方向Ａと垂直な方向のみに対する振動伝達効率を改善するしか方法がなかった。本実施形態のステータ１では、軸方向Ａと垂直な方向と合わせて、軸方向Ａと水平な方向に対する振動伝達効率を改善することで、振動伝達効率全体を向上させることができる。

さらに、第一シャフト３１および第二シャフト３２には、バネ５によって、両者を互いに近づける方向に弾性力が加えられる。その弾性力を調整することで、ステータ１の第一内周面１１と、第一シャフトの第一係合部３１ｄとを、隙間なく接触させることができる。また、ステータ１の第二内周面１２と、第二シャフトの第二係合部３２ｄとを、隙間なく接触させることができる。その結果、圧電素子２が貫通孔Ｈの内周面１０に発生させた回転方向Ｒの進行波を、第一シャフト３１および第二シャフト３２に、損失を少なく伝達させることができ、出力トルクを大きくすることができる。

ステータ１の内周面１０には、溝Ｔが形成されている。超音波モータ１００は進行波の発生に伴うステータ内周表面の楕円運動にロータシャフト３を接触させることで摩擦により駆動力を得る。内周面１０の溝Ｔが形成されていることで、溝Ｔのエッジ部の楕円運動がステータ内面に引っかかるように接触することで確実な運動と力を伝達することができるため、楕円運動の周方向振幅が増大しロータシャフト３の回転速度特性が改善される。

（第一実施形態の効果）
本実施形態の超音波モータ１００によれば、ステータ１の軸方向Ａに水平な断面にくさび形状を設け、ロータシャフトに対する振動伝達効率を改善できる。また、ロータシャフト３を、第一シャフト３１と第二シャフト３２とから構成し、バネ５で結合することで、ステータ１の内周面１０とロータシャフト３の係合部（３１ｄ、３２ｄ）とを隙間なく接触させることができる。また、その接触力をバネ５により調整することができる。

従来の超音波モータでは、ロータシャフトおよびステータを加工成形した後は、加工精度によって十分な振動伝達効率が得られない場合に、振動伝達効率を向上させるための調整手段がなかった。
本実施形態の超音波モータ１００によれば、バネ５およびバネ固定部材４により、第一シャフト３１と第二シャフト３２とを互いに近づける力を調整し、振動伝達効率を調整することができる。

（変形例）
以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の第一実施形態および以下で示す変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

例えば、圧電素子２は、ステータ１の二側面（隣接する二側面でもよいし対向する二側面でもよい）に取り付けることもできる。また、一側面または三側面に超音波発生素子
１３を取り付けることもできる。また、それぞれの側面に複数の圧電素子を取り付けることもできる。貫通孔Ｈの内周面１０に進行波を発生させる構成であれば、どのような構成態様であっても構わない。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態について、図７および図８を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
第二実施形態に係る超音波モータ１００Ｂは、超音波モータ１００と比較して、バネが、第一シャフト３１の内部空間と第二シャフト３２の内部空間とを連通する内部空間ではなく、外部空間に配置されている点が異なる。

図７は、超音波モータ１００Ｂを軸方向Ａに垂直な方向から見た側面図である。図８は、図７の断面図である。
超音波モータ１００Ｂは、図７および図８が示すように、ステータ１と、圧電素子（超音波発生素子）２と、ロータシャフト３と、バネ固定部材４Ｂと、バネ（弾性部材）５Ｂと、を備える。

第二実施形態においては、第一シャフト３１には先端開口部３１ｂ、第二シャフト３２には先端開口部３２ｂが設けられている。

バネ５Ｂは、図７および図８が示すように、皿ばね５０と、一対の円盤状部材（５１、５２）と、を有する。
皿バネ５０は、中心に貫通孔を有する円盤状の板を略円錐状に形成したものである。皿バネ５０の貫通孔方向の両側には、中心に貫通孔を有する一対の円盤状部材（５１、５２）が、皿バネ５０の一部と接触するように設けられている。具体的には、皿バネ５０の円錐形状の上側部分が円盤状部材５２と接触しており、バネ５Ｂの円錐形状の下側部分が円盤状部材５１と接触している。
バネ５Ｂは、円盤状部材５１と円盤状部材５２とを近づける方向に荷重が加わると、円盤状部材５１と円盤状部材５２とを遠ざける方向に弾性力を加えるバネ効果を有する。

バネ５Ｂは、皿バネ５０の貫通孔と、一対の円盤状部材（５１、５２）の貫通孔と、から構成される貫通孔を有している。皿バネ５０の貫通孔と一対の円盤状部材（５１、５２）の貫通孔とは互いに中心軸が一致しており、その中心軸がバネ５Ｂの貫通孔の中心軸である。

バネ５Ｂは、バネ５Ｂの貫通孔の中心軸が、ロータシャフト３の長手軸と一致し、かつ、円盤状部材５１が第一シャフト３１の先端開口部３１ｂを有する面に接触するように、配置される。また、バネ５Ｂは、バネ５Ｂの貫通孔が、第一シャフト３１の内部空間と連通するように配置されている。

バネ固定部材４Ｂは、図７および図８が示すように、ナット（第一バネ固定部材）４３と、ボルト（第二バネ固定部材）４４と、を有する。

ナット（第一バネ固定部材）４３は、内周面に雌ネジが設けられた貫通孔を有するナット部材である。
ナット４３は、ナット４３の貫通孔の中心軸が、バネ５Ｂの貫通孔の中心軸と一致するように、ナット４３の貫通孔を有する面が円盤状部材５２の貫通孔を有する面に接合されている。また、ナット４３は、ナット４３の貫通孔が、バネ５Ｂの貫通孔と連通するようにバネ５Ｂに接合されている。

ボルト（第二バネ固定部材）４４は、外周面に雄ネジが設けられた円筒部４４ａと、頭部４４ｂと、有するボルト部材である。円筒部４４ａは、外周面に設けられた雄ネジによりナット４３と嵌合可能である。なお、円筒部４４ａの外周面の雄ネジは、ナット４３と嵌合する部分に設けられていれば十分である。
ナット４３が嵌合するボルト４４の位置を変更することで、ナット４３とボルト４４との相対位置を調整することができる。

ボルト４４の円筒部４４ａは、第一シャフト３１の内部空間と、第二シャフト３２の内部空間と、バネ５Ｂの貫通孔と、を貫通し、ナット４３の内側面に設けられた雌ネジと嵌合している。ボルト４４の長手軸は、ロータシャフト３の長手軸と一致している。
また、ボルト４４の頭部４４ｂは、第二シャフト３２の先端開口部３２ｂを有する面に接合されている。

ボルト４４が貫通する第一シャフト３１と、第二シャフト３２と、バネ５Ｂとは、ボルト４４の長手軸方向、すなわち軸方向Ａに移動可能に支持される。また、第一シャフト３１と、第二シャフト３２と、バネ５Ｂとは、ボルト４４の長手軸を中心として、回転方向Ｒに回動自在に支持される。

ナット４３とボルト４４との相対位置が固定され、ナット４３とボルト４４の頭部４４ｂとの相対距離が固定される。
ボルト４４が貫通する第一シャフト３１と、第二シャフト３２と、バネ５Ｂとは、ナット４３とボルト４４の頭部４４ｂとに挟まれているため、軸方向Ａへの移動範囲が制限される。

ここで、円盤状部材５１と円盤状部材５２とが近づくように、ナット４３とボルト４４との相対位置を調整し、バネ５Ｂに円盤状部材５１と円盤状部材５２とを遠ざける方向への弾性力を発生させる。

ナット４３とボルト４４との相対位置を調整することで、バネ５Ｂは第一シャフト３１を第二シャフト３２に近づける方向に弾性力を加えることができる。
すなわち、ナット４３およびボルト４４は、バネ５Ｂと第一シャフト３１との接続を補助する補助部材である。

ナット４３とボルト４４との相対位置を調整することで、バネ５Ｂは、ナット４３およびボルト４４を経由して、第二シャフト３２を第一シャフト３１に近づける方向に弾性力を加えることができる。
すなわち、ナット４３およびボルト４４は、バネ５Ｂと第二シャフト３２との接続を補助する補助部材である。

バネ５Ｂは、ナット４３とボルト４４との相対位置を調整することで、軸方向Ａに沿って、第一シャフト３１と第二シャフト３２とを互いに近づける方向に弾性力を加える。具体的には、バネ５Ｂは、第一シャフト３１の基端側の開口部である基端開口部（第一開口部）３１ａと、第二シャフト３２の基端側の開口部である基端開口部（第二開口部）３２ａとを、近づける方向に弾性力を加える。

第一シャフト３１と第二シャフト３２とが、ステータ１の内周面１０と係合して配置されている際、第一シャフト３１と第二シャフト３２との間には、軸方向Ａにわずかに隙間が生じるように、第一係合部３１ｄおよび第二係合部３２ｄの軸方向Ａの長さは調整されている。そのため、ナット４３とボルト４４との相対位置を調整することで、第一シャフト３１および第二シャフト３２の相対位置は、軸方向Ａに沿って調整される。

ボルト４４の円筒部４４ａの先端には、図７および図８に示すように、円筒状の回転伝達部材９が取り付けられている。回転伝達部材９の長手軸が回転軸となり、回転伝達部材９の長手軸は、ボルト４４の長手軸と一致している。

次に、超音波モータ１００Ｂの動作を説明する。
圧電素子２に超音波領域の交流電圧が入力され、圧電素子２は超音波を発生する。四つの圧電素子２には９０度ずつ位相がずれた超音波が発生するように交流電圧が入力される。その結果、貫通孔Ｈの内周面１０に回転方向Ｒの進行波が発生する。

圧電素子２が貫通孔Ｈの内周面１０に発生させた回転方向Ｒの進行波により、第一シャフト３１および第二シャフト３２は、第一凸部３１ｅと第二凸部３２ｅとが回転方向Ｒの両端部のうち少なくとも一方の端部で係合しながら回転する。第一シャフト３１および第二シャフト３２の一方に発生する回転運動を他方に伝達することで、第一シャフト３１および第二シャフト３２の回転速度を均等にすることができる。

ナット４３とボルト４４とは、バネ５Ｂおよびロータシャフト３を挟み込んでおり、バネ５Ｂはバネの弾性力が働くように、ナット４３とボルト４４との間の距離が調整されている。そのため、バネ５Ｂと第一シャフト３１、および頭部４４ｂと第二シャフト３２は密接している。そのため、ロータシャフト３が回転方向Ｒに回転することで、ナット４３とボルト４４とバネ５Ｂとは、ロータシャフト３の回転と合わせて回転方向Ｒに回転する。ボルト４４の回転に合わせて、回転伝達部材９も回転方向Ｒに回転する。

また、ステータ１の軸方向Ａに水平な断面は、第一実施形態と同様に、内周面１０がくさび形に形成されている。ステータ１の内周面１０にテーパ形状が形成されている場合、軸方向Ａと垂直な方向だけでなく、軸方向Ａと水平な方向にも振動を伝達することができる。本実施形態のステータ１では、軸方向Ａと垂直な方向と合わせて、軸方向Ａと水平な方向に対する振動伝達効率を改善することで、振動伝達効率全体を向上させることができる。

さらに、第一シャフト３１および第二シャフト３２には、バネ５Ｂによって、両者を互いに近づける方向に弾性力が加えられる。その弾性力を調整することで、ステータ１の第一内周面１１と、第一シャフトの第一係合部３１ｄとを、隙間なく接触させることができる。また、ステータ１の第二内周面１２と、第二シャフトの第二係合部３２ｄとを、隙間なく接触させることができる。その結果、圧電素子２が貫通孔Ｈの内周面１０に発生させた回転方向Ｒの進行波を、第一シャフト３１および第二シャフト３２に、損失を少なく伝達させることができ、出力トルクを大きくすることができる。

（第二実施形態の効果）
本実施形態の超音波モータ１００Ｂによれば、第一実施形態の超音波モータ１００と同様、ステータ１の軸方向Ａに水平な断面にくさび形状を設け、ロータシャフトに対する振動伝達効率を改善できる。また、ロータシャフト３を、第一シャフト３１と第二シャフト３２とから構成し、バネ５Ｂで両者を近付けることで、ステータ１の内周面１０とロータシャフト３の係合部（３１ｄ、３２ｄ）とを隙間なく接触させることができる。また、その接触力をバネ５Ｂにより調整することができる。

本実施形態の超音波モータ１００Ｂによれば、第一シャフト３１と第二シャフト３２とを近付けるバネ５Ｂを、第一シャフト３１と第二シャフト３２の内部空間ではなく外部空間に配置することができ、超音波モータ１００Ｂを超音波モータ１００と比較して、容易に構成することができる。特に、超音波モータ１００Ｂが小型である場合に、この効果は顕著となる。

本実施形態の超音波モータ１００Ｂによれば、第一実施形態の超音波モータ１００と比較して、ナット４３とボルト４４との相対位置を変更することで、バネ５Ｂの弾性力をより細かな間隔で変更することができる。ステータ１の内周面１０とロータシャフト３の係合部（３１ｄ、３２ｄ）とを隙間をより細かい粒度で調整することができる。

（第三実施形態）
本発明の第三実施形態について、図９および図１０を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９は、第三実施形態に係るロボットアーム２００の全体構成を示す斜視図である。また、図１０は、図９と反対側から見たロボットアーム２００の全体構成を示す斜視図である。

ロボットアーム２００は、６個の超音波モータ１００で構成される超小型６自由度ロボットアームである。一自由度の超音波モータ１００を６個並べ、隣り合う超音波モータ１００を接続部材７で接続することで、ロボットアーム２００は構成される。

６個の超音波モータ１００によるロボットアーム２００の構成態様は、公知の６自由度ロボットアームの構成態様を適宜採用すればよい。ロボットアーム２００の姿勢や位置から、隣り合う超音波モータ１００がなす角度を、逆運動学により算出できるように、ロボットアーム２００を構成する。
なお、ロボットアーム２００は６自由度のロボットアームに限定されない。ロボットアーム２００は、６自由度以外の多自由度ロボットアームでもよい。

接続部材７は、金属材料（鉄，ステンレス，アルミニウム，銅等）が一般であるが、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックでもよい。接続部材７は、ステータ１の振動を阻害しないように、隣り合う超音波モータ１００を接続している。

ロボットアーム２００は、例えば、全長約１８ｍｍであり、可搬重量は約０．１ｋｇである。

（第三実施形態の効果）
本実施形態のロボットアーム２００によれば、超小型で出力トルクが大きい超音波モータ１００を接続して組み合わせることで、６自由度の超小型のロボットアーム２００を実現することができる。ロボットアーム２００は、低速で高トルクが出せることや電源を切っても自己保持特性が保たれること、小型軽量、減速機不要、応答性が高いこと、磁界や電界の影響を受けない等のメリットを有し、ロボット関節や医療機器などに好適に使用することができる。

以上、本発明の第三実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の第三実施形態および変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

（第四実施形態）
本発明の第四実施形態について、図１１から図１８を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１１は、第四実施形態に係るメッシュロボット３００の全体構成を示す斜視図である。
メッシュロボット３００は、円板形状のプレート８と、隣り合うプレート８を接続するロボットアーム２００Ｂと、を備える。

図１２は、ロボットアーム２００Ｂの全体構成を示す斜視図である。
ロボットアーム２００Ｂは、第二実施形態のロボットアーム２００と比較して、第一シャフトの構成が異なっている。ロボットアーム２００Ｂの第一シャフト３１Ｂには、先端開口部３２ｂは設けられていない。また、先端は軸方向Ａから見て半円形状の切り欠き３１ｅが形成されている。

図１３は、プレート８のプレート裏面８ｂを構成を示す斜視図である。
プレート８は、円板形状であり、四個の分割プレート８０から構成されている。分割プレート８０は、図１３が示すように、円板形状を中心角９０度ごとに４分割した形状となっている。隣り合う分割プレート８０同士は、接辺を中心軸として回転可能に接続されており、その接続部は隣り合う分割プレート８０の法線が平行になるようにバネ等により付勢されている。そのため、プレート８は、板バネのような可撓性を有する。プレート８は可撓性を有することで、ロボットアーム２００Ｂの姿勢や位置の制御誤差を吸収できる。

図１３に示すように分割プレート８０それぞれに、凹部８１が形成されている。プレート８の周方向を等分割する位置に、凹部８１が形成されている。凹部８１の底部には、図１４に示すように、半円形状の切り欠き８１ｅが形成されている。

図１４に示すように、凹部８１は、ロボットアーム２００Ｂの先端の第一シャフト３１Ｂと係合する。第一シャフト３１Ｂの切り欠き３１ｅと、凹部８１の切り欠き８１ｅと、を係合させることで、ロボットアーム２００Ｂの傾きおよび上下変位を確実にプレート８に伝達することができる。

図１５は、二個のプレート８と、一個のロボットアーム２００Ｂとを接続したメッシュロボット３００の最小構成を示す図である。図１５に示すように、ロボットアーム２００Ｂを操作することで、二個のプレート８の傾きおよび上下変位を変更することができる。

メッシュロボット３００は、図１１に示すように、２５個のプレート８を格子状に並べ、隣り合うプレート８をロボットアーム２００Ｂで接続して構成される。メッシュロボット３００の寸法は、例えば一辺が４０ｍｍ〜６４ｍｍである。

図１６および図１７は、メッシュロボット３００の使用例を示す斜視図である。なお、図１６および図１７において、メッシュロボット３００のロボットアーム２００Ｂの図示は省略されている。
メッシュロボット３００は、図１６および図１７が示すように、プレート８の傾きおよび変位を、ロボットアーム２００により変更することで、複数のプレート８の表面８ａが作り出す面を様々な３次元形状に変形させることができる。

次に、メッシュロボット３００の動作を説明する。
メッシュロボット３００を制御する不図示のコントローラは、各プレート８の傾きおよび変位を求め、その傾きおよび変位から各ロボットアーム２００Ｂの姿勢や位置を求める。ロボットアーム２００Ｂの姿勢や位置から、隣り合う超音波モータ１００がなす角度を、逆運動学から算出する。隣り合う超音波モータ１００がなす角度が算出した角度となるように、各超音波モータ１００のロータシャフト３を回転させる。

メッシュロボット３００は、超小型で出力トルクが大きい超音波モータ１００を搭載しているため、次に示すような、複数のプレート８の表面８ａが作り出す面の硬軟を触れた者に感じさせるコンプライアンス制御も可能である。

図１８は、メッシュロボット３００のコンプライアンス制御の一例を示すグラフである。グラフ横軸は、プレート８に力が加えられた場合におけるプレート８の変位である。グラフ縦軸は、上記の力が加えられた場合のロボットアーム２００Ｂがプレート８に加える反力の大きさを示している。
コントローラは、変位が所定のＸｍｍとなるまでは、反力が変位と比例して大きくなるように制御する。コントローラは、変位が所定のＸｍｍを超えると、反力が一定となるように制御する。

このように制御することで、プレート８に力が加えられた場合、初めは変位に比例して反力が大きくなるため、プレート８に触れた者は硬い面と感じる。変位が所定のＸｍｍを超えると、反力が一定となるため、プレート８に触れた者は軟らかい面と感じる。

（第四実施形態の効果）
本実施形態のメッシュロボット３００によれば、超小型で出力トルクが大きい超音波モータ１００を搭載したロボットアーム２００により、複数のプレート８を任意の位置・姿勢に変形できる超小型のメッシュ状の面を実現することができる。

本実施形態のメッシュロボット３００によれば、低速で高トルクで、応答性が高い超音波モータ１００を搭載したロボットアーム２００をコンプライアンス制御することで、複数のプレート８の表面８ａが作り出す面の硬軟を制御することができる。コンプライアンス制御を用いることで、メッシュロボット３００は、任意の形状を再現でき、さらにその表面の硬軟も再現可能な形状提示装置として使用することができる。

（変形例）
以上、本発明の第四実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の第四実施形態および以下で示す変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

例えば、上記実施形態では、プレート８は、４つの分割プレート８０から構成されていたが、プレートの構成はこれに限定されない。例えば、プレートは１枚の可撓性を有する円板部材で構成されていてもよい。プレートが可撓性を有してロボットアーム２００Ｂの姿勢や位置の制御誤差を吸収可能であれば、プレートはどのような構成態様であってもよい。

また、上記実施形態では、メッシュロボット３００は、２５個のプレート８を格子状に並べて構成されていたが、メッシュロボットの構成はこれに限定されない。例えば、複数のプレート８を円形状に並べた形状に構成されていてもよいし、円環状に並べた形状に構成されていてもよい。複数のプレート８がどのように配置されていても、隣り合うプレート８同士をロボットアーム２００Ｂで接続することで、メッシュロボット３００を構成することができる。

本発明は、超音波モータ、ロボットアーム、およびメッシュロボットに適用することができる。

１ ステータ
１０ 内周面
１１ 第一内周面
１２ 第二内周面
２ 圧電素子（超音波発生素子）
３ ロータシャフト
３１，３１Ｂ 第一シャフト
３１ａ 基端開口部（第一開口部）
３１ｂ 先端開口部
３１ｃ 第一係止孔
３１ｄ 第一係合部
３１ｅ 第一凸部
３２ 第二シャフト
３２ａ 基端開口部（第二開口部）
３２ｂ 先端開口部
３２ｃ 第二係止孔
３２ｄ 第二係合部
３２ｅ 第二凸部
４，４Ｂ バネ固定部材
４１ 第一バネ固定部材
４２ 第二バネ固定部材
５，５Ｂ バネ（弾性部材）
７ 接続部材
８ プレート
８ａ プレート表面
８ｂ プレート裏面
８０ 分割プレート
８１ 凹部
１００，１００Ｂ 超音波モータ
２００，２００Ｂ ロボットアーム
３００ メッシュロボット

Claims (9)

1. 円筒形状の第一シャフトと、円筒形状の第二シャフトと、を有するロータシャフトと、
   前記第一シャフトの基端側の開口部である第一開口部と、前記第二シャフトの基端側の開口部である第二開口部と、を近づける方向に力を加える弾性部材と、
   直方体状で、前記ロータシャフトが貫通する貫通孔を有するステータと、
   前記ステータの外側面に取り付けられた超音波発生素子と、
   を備え、
   前記第一シャフトと前記第二シャフトとは、前記第一開口部と前記第二開口部とを対向させて設けられており、
   前記ステータの内周面はテーパ加工されており、
   前記第一シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第一係合部を有し、
   前記第二シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第二係合部を有し、
   前記ステータの内周面と、第一係合部および第二係合部とが係合する、
   超音波モータ。
2. 前記第一係合部は、前記第一開口部に向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工され、
   前記第二係合部は、前記第二開口部に向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工された、
   請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記第一シャフトは、前記第一開口部に、長手軸方向に突出する第一凸部を有し、
   前記第二シャフトは、前記第二開口部に、長手軸方向に突出する第二凸部を有し、
   前記第一シャフトおよび前記第二シャフトが長手軸方向を回転軸として回転した際、回転方向の両端部のうち少なくとも一方の端部が係合する、
   請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記ステータの内周面には、長手軸方向に沿って複数の溝が形成されている、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超音波モータ。
5. 前記弾性部材の一方の端部が取り付けられ、前記第一シャフトに係止される第一バネ固定部材と、
   前記弾性部材の他方の端部が取り付けられ、前記第二シャフトに係止される第二バネ固定部材と、をさらに有し、
   前記第一バネ固定部材は、前記第一シャフトの複数の位置のうち、いずれか一か所で係止される、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の超音波モータ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の超音波モータを複数有し、
   前記超音波モータどうしを接続する接続部材と、を備えるロボットアーム。
7. 請求項６に記載のロボットアームを複数有し、
   可撓性を有し、複数の前記ロボットアームが接続されたプレートと、
   を備えるメッシュロボット。
8. 前記プレートは、四つの分割プレートから構成され、
   四つの分割プレートのそれぞれに、一つの前記ロボットアームが接続される、
   請求項７に記載のメッシュロボット。
9. 前記プレートが外力による変位が所定の値になるまで、前記外力に比例して反力を生成し、
   前記変位が前記所定の値を超えたとき、前記反力は一定となる、
   請求項７または請求項８に記載のメッシュロボット。
   

Images